SEDS在星载综合电子系统中的应用设计

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(1.北京空间飞行器总体设计部, 北京 100094； 2.北京空间技术研制试验中心, 北京 100094)

0 引言

空间数据系统咨询委员会(consultative committee for space data systems,CCSDS)成立于1982年，是空间数据系统领域最权威的组织，目前有11个成员组织以及30个观察员组织，主要负责制定空间数据系统的国际标准，含星载接口、空间链路、空间互联网、任务操作和信息管理、交互支持、系统工程等6个领域。截止目前，全球超过800个航天器上实现和应用了CCSDS系列标准。

CCSDS航天器星载接口业务领域(spacecraft onboard interface services,SOIS)目前的工作重点是SEDS(SOIS Electronic Data Sheet)相关研究。针对目前实现星载软件快速集成和测试的需求，SEDS可以实现对设备信息以及业务接口信息的描述，并通过工具自动生成星载软件、测试用例以及相关文档，从而减少星载软件集成、测试、维护时间，并保各个研制阶段数据的一致性。该标准的实现应用有利于缩短星载综合电子系统的研制周期、降低研制风险与成本。本文对SEDS标准及国外研究应用现状进行分析，对星载综合电子系统进行研究说明，基于该系统对SEDS的应用进行设计验证。

1 SEDS概述

在SOIS体系结构中，EDS(electronic data sheet)主要的用途是对设备信息以及业务接口信息进行描述，简称SEDS。它包含以下内容：SOIS各协议层之间数据双向交换的接口；组成上述接口的指令和参数；实现两组接口间映射的构件服务；组成构件的状态机、变量、行为；作为以上参考的类型、变量、编码和术语。

在SEDS的使用上，除了对设备进行描述外，还可用SEDS描述业务的接口、业务间的连接关系、业务的配置参数、系统的配置参数，将体系架构中原本概念性的通信管理转化为通过SEDS描述各层业务配置以及连接关系的实体。描述设备的参数以及软件业务的配置参数和业务之间的接口关系。此外，SEDS还有许多其它的用途。例如地面操作人员可以将设备的SEDS采用工具进行转换，可自动生成任务的数据库，便于生成对设备的控制指令以及解析设备下行的遥测。在空间站等应用，若航天员将一台新的设备接入空间站的系统网络，当设备将自身的SEDS存储于设备内部，通过即插即用的机制，空间站内可以自动识别该设备并将该设备的数据以及SEDS信息发布，航天员通过笔记本可以订阅该设备的数据以及SEDS，通过 SEDS的解析工具对设备的数据进行解析，即可在界面进行数据查看。

通过SEDS产生星载软件代码、测试用例、接口控制文档、遥控指令、遥测解析文件等，可以减少文档的不确定性和不一致性，避免在需求变更时修改大量的文件。目前地面测试使用的电子数据表单采用CCSDS的XTCE标准进行描述，当前主要偏重于遥控和遥测格式，后续通过扩展对于星载业务接口的描述采用SEDS标准后，SEDS和XTCE可以通过工具进行转换，综合SEDS和XTCE各自的优势实现对整个航天器接口软件及文档的电子表单化。

2 国外研究现状

目前，在国际领域最先展开SEDS应用的是NASA和ESA。NASA的戈达德飞行中心在其cFE核心飞行软件架构中实现了SEDS应用；ESA目前也正在采用JAVA开发工具用于支持SEDS的生成和解析。

2.1 NASA现状

NASA核心软件系统cFE已用于多个型号，基于软件总线进行各软件组件之间的消息通信，并开发了配套的组件配置工具，其源码公开，不仅用于航天器，也用于无人机等系统。NASA已计划将该软件架构参考SOIS体系架构定义的接口，进行进一步完善，使之能适应SOIS体系架构。在NASA的cFE核心飞行软件架构中，采用了SEDS的技术自动生成软件配置信息，方便软件的按需配置和组装。SEDS可以定义设备的接口也可以定义所有软件构件的接口。通过工具扫描代码头文件辅助生成SEDS，对SEDS进行修改后可再生成新的代码，同时可通过SEDS生成测试用的遥控指令并解析遥测数据。NASA已经开发出一款工具，该工具将软件构件SEDS和任务配置文件作为输入然后生成C 语言的头文件。头文件包含消息定义和工程单元转换。目前，该工具集成在cFS(核心飞行系统)创建系统中，被多个NASA中心使用。

2.2 ESA现状

来自欧洲SCISYS公司已经研究EDS多年，并正在开发工具支持SEDS的生成和解析。该工具采用JAVA开发，可以根据SEDS自动生成星载软件代码。SEDS的生成及使用过程为：在开发初期，通过设备的参数生成SEDS文件，通过工具SEDS文件可生成参数、验证相关的文档，此时生成的SEDS文件通过工具可以生成星载部分构件，比如设备驱动，还可以生成用于仿真的输入。之后在项目开发过程中，当新增设备或设备参数改变时可直接更新SEDS；系统的模型或者数据也可生成SEDS，当系统数据或者设备数据变化时它们之间互相影响都可以通过EDS对数据进行修改，修改后的SEDS文件通过工具对文档自动生成，进行更新。在综合测试时，EDS直接可作为其输入而省去了文档，因为SEDS中直接包含了其所有的文档数据。

3 SEDS应用设计

3.1 星载综合电子体系结构

星载综合电子体系结构是基于SOIS开发的一种分层的体系结构，每一层包含了多种业务及协议。在该体系结构中，一方面将SOIS标准的业务和协议映射为可重用的软件构件，另一方面将软件构件统一划分为中间件层，与操作系统层、应用层一起共同组成整个综合电子系统软件。该结构中核心部分为中间件层，该层软件构件包含了CCSDS、ECSS的多种标准协议，并通过标准化的接口对应用层提供服务，如图1所示。

图1 综合电子体系结构

3.1.1 应用层

应用层包含遥控、遥测、时间管理、内务管理、热控管理、能源管理、载荷管理以及其他一些扩展应用等顶层功能，可使用底层提供的业务，通过对这些业务进行实例化来生成不同的应用进程。

这几年，兰州大气治污用“笨”办法狠抓落实。整个兰州市区被划成1482个网格，逐一落实减排责任。所有重点排污企业实行干部24小时驻厂监察，1296台锅炉全部进行煤改气。2013年以来，因为治污不力问责近千名干部，一批治污得力的干部获提拔重用。现在，兰州市每个格子里有多少台燃煤炉子、每台炉子“吃”多少煤，能精确到个位数。重拳治污之下，兰州市能源结构迅速优化，城市布局逐渐合理，为科学治污腾挪出空间。2015年兰州GDP比2009年翻了一番多，治污不但没有影响发展，还给城市带来转型机遇。10. 任钦：《兰州样本》，《经济参考报》，2017年1月6日。

3.1.2 应用支持层

应用支持层包括SOIS定义的命令与数据获取业务(包含设备访问业务、数据池业务、设备虚拟化业务)，应用程序访问星上设备；文件及包存储业务用于航天器内以及航天器间的计算机文件系统中传输文件；时间访问业务用于获取航天器时间；消息传输业务用于星上两个应用程序之间的消息传递；PUS定义的标准业务基本覆盖目前航天器综合电子系统的通用功能。

3.1.3 传输层

传输/网络层一般只在有多个子网且子网间的应用程序需要相互通信时才使用，它提供应用程序间端对端的数据传输业务。此处使用空间包协议进行选路，并对空间包协议进行了扩展，在其副导头增加了源/目的地址信息，可扩展支持UDP/IP等协议。

3.1.4 子网层

子网层包含空间链路和星载链路，提供一系列业务供上层的应用程序支持层和传输层业务调用，空间链路主要由上行TC协议和COP-1协议、下行AOS协议提供。星载链路包括包业务、存储器访问业务、同步业务。除了上述标准业务外，还提供一个统一通用的总线接口业务，于每一种链路，可通过相应的汇聚协议以及数据链路层协议，使之能支持子网的标准业务，从而对上层屏蔽底层链路的不同。目前支持的链路包括1553B总线、SpaceWire总线、串口、ML接口、DS接口等。

3.1.5 操作系统及硬件

操作系统层将操作系统的各接口进行封装，提供统一应用程序编程接口。任何操作系统只要支持该结构中统一的访问接口，即可在星载综合电子系统中进行应用，因此，可支持操作系统的更新。其组成包括实时操作系统、设备驱动程序、板级支持包(BSP)、基础函数库等。

3.2 SEDS顶层应用设计

SEDS的应用可以贯穿综合电子系统开发的各个生命周期，如图2所示。在软件设计和开发阶段，设备SEDS通过设计人员编写生成；业务接口SEDS分为两类，一类是已经具有的软件构件或者模型，可通过工具直接生成SEDS，另一个类是新的软件构件可通过编写生成，生成后可作为构件模型的输入。在软件测试阶段，以上生成的这些SEDS可以通过工具读取作为仿真测试的输入，保证正确性的同时减少了测试各种配置工作；在后期整器测试阶段以及航天器飞行地面控制阶段，这些电子表单还可以通过地面系统工具生成数据库等，该数据库也可用于开发方测试、三方测试以及在轨测试等。总之，电子表单一旦形成，它的应用贯穿于项目开发和运行的各个阶段。

图2 SEDS应用顶层设计

3.3 SEDS应用实例

图3是以星载软件中遥测采集功能为例，由左向右，依次对应星载综合电子系统的硬件、子网层、传输层、应用支持层、应用层。左边D1、D2、D3是不同的设备，其中D1、D2分别通过RS422、CSB总线与RTU1(远置单元)连接，RTU1通过1553B与星载综合电子系统中央管理单元(SUM)连接；D2则直接通过1553B与SUM相连接。采集这些设备的遥测数据，首先通过1553B和串口汇聚协议完成遥测采集和组织，形成空间包，通过空间包协议将包发送至应用支持层，消息传输业务的消息发送原语将遥测发送至应用层的遥测处理模块,遥测数据经过处理后，通过空间链路下传至地面。

在此过程中，SEDS开始于设备，SEDS描述设备信息时，由于不同的设备支持不同的数据，所以设备描述的SEDS包括设备的访问接口、设备的功能接口、设备的访问协议、设备虚拟控制步骤、子网层的使用信息等，例如SEDS1、SEDS2、SEDS3。随着综合电子系统结构分层，越靠上层，设备SEDS聚合度越高，数量也越少，例如SEDS5它汇聚了SEDS1和SEDS2的相关信息后，又加入了1553B汇聚的访问接口。 而SEDS描述业务接口，主要描述业务的之间的双向数据交换的接口，包含业务/构件的参数(可以是输入或者输出)、命令、业务的原语、三者的映射关系以及表示业务之间关系的状态机。

图3 SEDS描述设备、业务接口

3.4 SEDS应用扩展

目前地面综合测试系统、发射基地数据系统以及飞控中心数据系统使用的电子数据表单采用CCSDS的XTCE标准进行描述，主要偏重于遥控和遥测格式，其应用主要于地面进行数据上注和解析。星载业务接口/设备的描述采用SEDS标准，后续可以通过工具进行SEDS和XTCE转换，如图4所示。星载业务接口/设备SEDS和任务配置文件为输入，生成XTCE标准的数据库，提供不同的任务系统使用该转换有利于星上数据与地面数据的衔接，即SEDS不仅可以用于星上软件开发的各个生命周期，可以用于地面系统。

图4 SEDS与XTCE的转换

4 设计验证

基于星载综合电子系统SMU的43个软件构件，其功能涵盖CCSDS空间链路协议、SOIS的9种标准业务及协议、空间互联网领域协议、1553B协议、ECSS的PUS协议中12种业务、汇聚协议、驱动，开发了43份业务接口的SEDS，针对与SMU有接口的设备开发了15份设备SEDS，在软件开发阶段、调试测试阶段、单元测试、组装测试以及确认测试等阶段，均以SEDS作为了测试的输入。经统计，在现阶段星载综合电子系统的开发测试阶段，时间节省约35%，集成代码自动生成部分占62%，与此同时，未出现由于文件问题引起的接口状态不一致等问题。通过SEDS开发、测试在快速集成、可重用性、可靠性方面有着突出作用，主要体现在：

1)快速集成测试。由于SEDS描述了业务的配置参数、接口、以及业务间的连接关系，根据需求选取相关的软件构件之后，通过SEDS描述这些构件之间调用关系，通过工具便可生成互相调用的代码，可实现星载综合电子系统内部的快速集成。在开发测试阶段和整星测试阶段，通过设备的SEDS，实现即插即用，大量的减少了测试期间的配置工作，缩短测试周期。

2)可重用性。目前开发的软件构件均以入库，与之接口相对的SEDS也已入库，对于同一构件应用于不同领域，由于其参数、接口、调用关系固定，所以业务接口的SEDS可重用。对于同一设备，当其通信协议固定的同时，设备的SEDS在航天器整个研制周期可以重用，以上重用度越高，开发效率也越高。

3)可靠性。通过SEDS产生星载软件代码、测试用例、接口控制文档、遥控指令、遥测解析文件等，，可以减少文档的不确定性和不一致性；SEDS采用工具进行转换后，自动生成任务的数据库，保证了软件开发、集成、测试的各个阶段数据的一致性，提高了各个阶段数据的可靠性。

5 总结

通过SEDS对设备信息以及业务接口信息进行描述，自动生成星载软件，可实现星载综合电子系统快速集成与测试。通过SEDS可以自动生成星载软件代码、测试用例、接口控制文档、遥控指令、遥测解析软件等，可减少文档的不确定性和不一致性，避免在需求变更时修改大量的文件。与此同时通过扩展SEDS与地面XTCE的自动转换还可实现软件开发者、综合测试、飞控中心、设备生产者之间灵活可靠的数据交互。SEDS实现快速集成与测试的同时，它的可重用性和可靠性有助于提高开发效率，从而实现整个航天器研制周期的缩短。